Un groupe de recherche dirigé par le Dr Jialei He de la Graduate School of Engineering de l’Université de Nagoya a mis au point une méthode de transformation des cristaux liquides cholestériques (CLC) en particules sphériques de taille micrométrique.
Les CLC sont un type de cristaux liquides qui possèdent une structure hélicoïdale, leur conférant des propriétés optiques uniques et la capacité de réfléchir sélectivement la lumière. En combinant des particules sphériques de CLC avec des pigments disponibles dans le commerce, les chercheurs ont développé un code QR anti-contrefaçon unique qui ne peut être affiché que sous un polariseur circulaire spécifique. Les résultats ont été publiés dans la revue Matériaux optiques avancés.
Les CLC sont un exemple de la façon dont la nature peut être utilisée en ingénierie. Si vous avez déjà remarqué les ailes irisées des papillons ou le revêtement brillant des exosquelettes des coléoptères, vous avez vu ce que les CLC peuvent faire. Une fois identifiées, les CLC qui imitent les unités qui génèrent les couleurs des exosquelettes des coléoptères sont synthétisées en laboratoire en raison de leurs couleurs et propriétés inhabituelles, qui se situent entre les liquides et les cristaux.
Les propriétés optiques des CLC sont particulièrement utiles. Ils affichent des couleurs inhabituelles en raison de leur structure moléculaire unique et de leurs propriétés optiques qui conduisent à la réflexion sélective de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. Les CLC sont constitués de longues molécules qui se répètent sous la forme d’une hélice. Dans l’hélice, la distance verticale à partir de laquelle une région fait une boucle et se répète est appelée la « hauteur ».
Si l’hélice a des unités répétitives proches les unes des autres, le cristal liquide a un pas court et réfléchit des longueurs d’onde de lumière plus courtes, dégageant des couleurs bleues et violettes. Cependant, ceux avec un espace vertical plus long ont des longueurs d’onde plus longues, conduisant à des couleurs rouges ou oranges.
Pour compliquer davantage les choses, étant donné que les molécules qui composent le cristal sont disposées en hélice, la couleur peut changer en fonction de l’orientation du spectateur par rapport à l’hélice. Par conséquent, un nombre infini de couleurs sont possibles selon la façon dont le cristal liquide est vu.
Pour utiliser les CLC plus efficacement, les chercheurs fabriquent des particules sphériques de CLC. Ces particules sont sphériques et incluent l’hélice dans une matrice 3D afin que les scientifiques puissent mieux contrôler leur coloration. Cependant, un problème majeur est la taille. Les méthodes actuelles créent des particules CLC sphériques de 100 micromètres, ce qui est trop gros pour la plupart des utilisations.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs Jialei He (il/lui) et Yukikazu Takeoka (il/lui) de l’Université de Nagoya et leurs collègues ont utilisé un mélange de solvants pour créer des particules sphériques de CLC avec une taille de particule contrôlée de quelques micromètres en utilisant une technique appelée polymérisation en dispersion.
Comme les échantillons ont été prélevés à température ambiante, la découverte de la nouvelle technique a été difficile. « Le test des échantillons a été une période particulièrement difficile en raison de la douceur des échantillons à température ambiante, qui est une propriété inhérente aux CLC », a déclaré le Dr He. « Par conséquent, des efforts considérables ont été nécessaires pour trouver une méthode appropriée pour caractériser les échantillons sans causer de dommages. »
Étant donné que le pas du cristal liquide cholestérique des particules sphériques de CLC de cette taille varie avec la courbure des particules, les chercheurs ont rendu les particules sphériques avec une distribution de taille uniforme. C’est ce qu’on appelle une sphère monodisperse.
« Au cours de l’expérience, nous avons découvert de manière inattendue que la taille des particules des microsphères influençait de manière significative la couleur structurelle résultante. Nous pouvions produire une variété de couleurs en fonction de la taille des particules », a déclaré le Dr He. « Nous avons également découvert que recouvrir les particules sphériques de CLC avec le polymère polydiméthylsiloxane améliorait la coloration et la stabilité thermique. »
Une application potentielle de cette recherche est la création de codes QR plus sécurisés qui ne peuvent pas être reproduits. Ils pourraient être créés en tirant parti d’une caractéristique des CLC appelée chiralité. La chiralité fait référence à la propriété d’un objet ou d’une molécule qu’il ne peut pas être superposé à son image miroir en raison d’une asymétrie.
Les CLC sont chiraux et ont une activité optique, de sorte qu’un code QR anti-contrefaçon pourrait être créé en combinant la couleur des particules sphériques de CLC avec des pigments non chiraux disponibles dans le commerce. Le code ne peut être lu que lorsqu’un polariseur circulaire spécifique qui laisse passer la lumière non chirale mais pas la lumière chirale du code QR est utilisé.
« Le développement de particules CLC sphériques résultant de cette recherche offrira de nouvelles possibilités pour des fonctions de couleur structurelles à faible coût différentes de celles des matériaux de couleur conventionnels », a déclaré le Dr Takeoka. « En plus d’être utilisé comme pigment fonctionnel spécial pour la lutte contre la contrefaçon, il peut également être utilisé pour d’autres applications qui tirent parti de la couleur structurelle polarisée circulairement avec peu de dépendance à l’angle. »
Plus d’information:
Jialei He et al, Couleur structurale chirale contrôlée par la taille des particules des particules de cristaux liquides cholestériques monodisperses, Matériaux optiques avancés (2023). DOI : 10.1002/adom.202300296